盧福平,魯躍峰,李昊燃

(1.北京國電電力有限公司上灣熱電廠,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209;2.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710049)

0 引言

燃煤電廠在國內(nèi)的設(shè)備客觀情況復(fù)雜,同時伴隨設(shè)備老化、偏離設(shè)計工況等不合理的問題,進而引起振動問題高頻次發(fā)生。研究人員對此進行了大量研究[1-6]。謝永慧等[7]研究了蒸汽輪機的阻尼圍帶長葉輪葉片的振動特性。王延博[8]對大型汽輪發(fā)電機組進行了軸系不對中對設(shè)備振動影響的研究。楊利芳等[9]通過有限元計算分析得到風機進口消音器對風機振動的影響效果。薛翔等[10]通過熱態(tài)試驗、現(xiàn)場檢修和振動測試,分析得到某300 MW機組引增合一后引風機振動原因。沈利等[11]通過加設(shè)再循環(huán)旁路風道的措施,解決了密封風機及出口風道振動問題。由于火力發(fā)電廠設(shè)備繁多,振動原因復(fù)雜,針對一次風機進口消音器管道振動的研究相對較少。

某火電廠1、2號機組為循環(huán)流化床機組,每臺機組均配備兩臺豪頓華工程有限公司生產(chǎn)的型號為L2N 2344.02.93 SBL6T的單吸離心風機。四臺風機自進行降低一次風量的機組技術(shù)改造以來,均存在一次風機進口消音器管道振動劇烈的問題。本文采用多種方法及思路對該電廠振動問題進行試驗、分析、討論,找到原因。

1 設(shè)備概況及振動情況

1.1 設(shè)備概況

該機組為循環(huán)流化床機組,鍋爐為自然循環(huán)、單汽包、超高壓、單爐膛一次中間再熱,島式布置的循環(huán)流化床鍋爐,型號為DG520/13.7-I1型。機組主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 機組主要設(shè)計參數(shù)

每臺機組風煙系統(tǒng)配置豪頓華工程有限公司生產(chǎn)的型號為L2N 2344.02.93 SBL6T的單吸離心風機,額定轉(zhuǎn)速1 485 r/min,變轉(zhuǎn)速運行,主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 一次風機主要設(shè)計參數(shù)

1.2 振動情況

機組一次風機進口風道存在振動偏大現(xiàn)象。振動歷史及振動特征如下:

(1)2009年機組投產(chǎn),一次風機未加變頻器,定轉(zhuǎn)速運行,無振動現(xiàn)象發(fā)生。

(2)2014年至2015年左右進行了變頻改造和進口消音器改造。改后出現(xiàn)一次風機進口消音器風道振動現(xiàn)象。高負荷擋板門滿開時(100%開度),偶爾出現(xiàn)振動變大現(xiàn)象,因此,實際運行過程中將進口擋板開度固定在70%左右,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速運行。

(3)2021年下半年機組進行技改,將總一次風量最大由220 000 Nm3/h以上降至140 000 Nm3/h左右,改后低負荷工況下極易出現(xiàn)進口風道振動現(xiàn)象:高負荷期間進口擋板開度固定在70%左右,利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),隨著負荷降低至120 MW以下開始出現(xiàn)振動現(xiàn)象,需將擋板開度降至40%左右才可避免振動現(xiàn)象的發(fā)生。

(4)兩臺機組四臺風機的風機型號、進出口管道布置、消音器型式完全相同,振動特征也完全一樣。

2 振動實驗測試及故障分析

2.1 振動實驗測試

為了了解振動特征,對處于振動狀態(tài)下的風道進行振動測試。

機組實際負荷76 MW工況時,通過調(diào)整風機開度觸發(fā)風道振動,并進行測試。調(diào)整過程如下:調(diào)整期間機組負荷穩(wěn)定在76 MW,兩側(cè)變頻器頻率維持在70%左右,風機開度從36%升至39%(其中B側(cè)風機開度增加相對較大),A側(cè)熱一次風量略微增加至70 078 Nm3/h,B側(cè)熱一次風量略微減少至62 035 Nm3/h,此時B側(cè)一次風機進口風道發(fā)生振動,A側(cè)風道未振動,機組主要參數(shù)如表3所示。

表3 機組主要運行參數(shù)

振動測試主要數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 振動測試數(shù)據(jù)(單位mm/s)

由以上數(shù)據(jù)可知:

(1)振動發(fā)生前后機組運行狀態(tài)未發(fā)生明顯變化;

(2)通過調(diào)整兩側(cè)風機運行出力配合,可以觸發(fā)振動發(fā)生;

(3)進口風道振動數(shù)值較大,主要存在13.13 Hz異常頻率。

2.2 振動故障分析

一次風機熱態(tài)性能試驗數(shù)據(jù)表明風機運行工況點距離不穩(wěn)定運行區(qū)域較近,無足夠安全裕量,風機運行的可靠性較差,當風機變工況調(diào)節(jié)時,易進入非穩(wěn)定區(qū)域運行。風機在不穩(wěn)定區(qū)域運行時,流體在葉輪葉片表面易發(fā)生邊界層分離,使某個或數(shù)個葉輪流道發(fā)生堵塞,產(chǎn)生失速區(qū)(不穩(wěn)定運行區(qū)域)。失速區(qū)并不是固定于某個或某幾個葉片上,而是相對旋轉(zhuǎn)的工作輪作反向旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生小于風機旋轉(zhuǎn)頻率的頻率。同時,風機發(fā)生失速時做功能力下降,出力降低。

風機發(fā)生失速時的流量、壓力的快速波動,可能會造成消音器流場發(fā)生急劇變化,產(chǎn)生振動?？梢酝ㄟ^對振動發(fā)生前后歷史SIS數(shù)據(jù)和振動期間振動測試數(shù)據(jù)分析,探究振動發(fā)生前風機是否進入不穩(wěn)定運行狀態(tài),從而誘發(fā)消音器所在風道振動。

根據(jù)每次振動發(fā)生時間,調(diào)取發(fā)生振動一側(cè)風機的歷史SIS曲線,通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):本次振動發(fā)生前,通過調(diào)整風機轉(zhuǎn)速及開度,1號機組B側(cè)一次風機出力突然降低,風機電流和出口壓力突然下降,風機振動變大,現(xiàn)場消音器及所在風道發(fā)生振動。振動期間風機出口壓力稍有回升,但仍低于振前壓力值。之后通過提高風機運行轉(zhuǎn)速,使風機出力增加,風機出口壓力和電流明顯突然增大,風機擺脫不穩(wěn)定運行狀態(tài),現(xiàn)場振動消失。

2.3 頻譜分析

一次風機入口風道振動發(fā)生期間,對風道進行了振動測試,典型頻譜圖如圖1所示,振動頻率與風機轉(zhuǎn)頻關(guān)系總結(jié)于表5。

圖1 風道振動頻譜圖

表5 風道振動頻率與轉(zhuǎn)頻關(guān)系

根據(jù)圖表數(shù)據(jù)可知:

(1)風道振動頻率是變化的;

(2)風道振動頻率與一次風機轉(zhuǎn)頻成倍數(shù)關(guān)系,是轉(zhuǎn)頻的0.73～0.78倍。

根據(jù)離心風機旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下流體動力學特征的相關(guān)研究可知,風機旋轉(zhuǎn)失速頻率一般是轉(zhuǎn)頻的2/3倍左右,受風機實際運行性能、失速程度等影響,失速團傳播頻率會略有變化。

綜上所示,本項目現(xiàn)場風道振動特征頻率符合風機旋轉(zhuǎn)失速頻率范圍。

3 振動解決方案

3.1 優(yōu)化風機運行方式

(A)優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)

降低一次風機所在管網(wǎng)系統(tǒng)阻力,比如加強爐渣的清理或優(yōu)化爐床高度等,控制一次風機出口壓力維持在較低水平,提高風機失速安全裕度。

(B)優(yōu)化風機運行方式

現(xiàn)有調(diào)節(jié)方式下風機效率較高,但是運行工況點距離不穩(wěn)定運行區(qū)域較近,風機運行安全性較差。鑒于此,本節(jié)提出如下優(yōu)化思路:降低風機調(diào)節(jié)門開度,適當提高風機運行轉(zhuǎn)速,使風機運行工況點遠離不穩(wěn)定運行區(qū)域,兼顧安全性和經(jīng)濟性。根據(jù)實測數(shù)據(jù)對日后風機開度與轉(zhuǎn)速的調(diào)整配合提出以下建議:

(1)機組110 MW工況以下,可將風機開度固定在30%～40%之間,僅通過調(diào)整轉(zhuǎn)速適應(yīng)負荷變化出力需求。

(2)機組110 MW工況以上,且風機轉(zhuǎn)速超過1 250 r/min,可增加風機開度至50%～70%,適當提高風機運行經(jīng)濟性。

(3)機組負荷調(diào)整過程中(特別是降負荷過程),控制機組負荷變化率,盡量降低一次風機開度和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)速度,有利于風機性能穩(wěn)定變化,避免風機進入不穩(wěn)定運行狀態(tài)。

3.2 對風機本體實施改造

為了減小風機運行在不穩(wěn)定區(qū)域的風險,可選擇與現(xiàn)有一次風機系統(tǒng)更加適配的風機。根據(jù)風機性能試驗數(shù)據(jù),可得到新的風機選型參數(shù),如表6所示。新的選型參數(shù)對應(yīng)的風機風量和風壓均小于原設(shè)計參數(shù),電機和變頻器可利舊。

表6 新風機選型參數(shù)

3.3 對消音器所在風道壁面進行優(yōu)化

當一次風機在不穩(wěn)定狀態(tài)下運行時,其風量會發(fā)生明顯的波動,造成消音器所在腔室產(chǎn)生氣流脈動。由于消音器腔室壁面為8 mm厚的孔板、玻纖布、憎水玻璃棉等軟質(zhì)復(fù)合透氣材料組成,在氣流脈動的作用下其軟質(zhì)壁面會產(chǎn)生與風機不穩(wěn)定運行頻率同步的扇動,進而帶動整個框架振動。

因此,將消音器所在腔室的壁面由軟質(zhì)材料更換成硬質(zhì)不透氣材料,可解決壁面隨氣流脈動扇動的問題。若對煙道壁面材質(zhì)進行更換,需根據(jù)增加的重量對煙道支撐強度進行校核。

4 結(jié)論

針對某機組一次風機進口消音器管道振動劇烈的問題,本文通過理論計算、振動測試、現(xiàn)場風機性能試驗、數(shù)值模擬計算等多種方法,排除了卡門渦街引起的聲學共振問題。通過振動測試、風機試驗和數(shù)值模擬,確定了主要原因。最后,根據(jù)提出方案進行運行優(yōu)化調(diào)整,解決消音器管道振動問題,目前風機運行良好。

由于離心風機失速范圍小,在火電機組運行中,與其相關(guān)的振動問題主要是由動平衡、軸承故障、對中不齊等因素引起的,而由于其本身氣動性能原因引起的消音器管道振動問題比較少見。本文解決該問題的思路和方法對以后相關(guān)問題的處理具有明顯的借鑒和指導(dǎo)意義。